4. Sensores de Fibra Óptica
4.4. Sensores mais utilizados em obras geotécnicas
4.4.1. Sensores de fibra óptica utilizando redes de Bragg
O conceito de fibras ópticas em rede de Bragg seguiu-se à descoberta da dopagem da fibra de sílica com germânio. Foi identificado, quando se observou que um laser de ião de árgon quando dirigido para o núcleo da fibra, por uma exposição prolongada, originava um aumento na atenuação da fibra (Braga et al., 2002).
As redes de Bragg são alterações periódicas no índice de refracção no núcleo da fibra óptica, com elevado potencial de produção em massa, que podem ser induzidas mediante uma exposição de uma fibra, de forma adequada, a uma luz intensa UV, com um comprimento na ordem de 10μm (figura 4.18).
Figura 4.18 – Definição de uma rede de Bragg numa fibra óptica (adaptado de Yu, 2002).
A sua utilização como elemento sensor associa todas as propriedades comuns aos sensores de fibra óptica, nomeadamente a imunidade a interferências electromagnéticas, a passividade eléctrica, as dimensões e peso reduzidos e a capacidade de multiplexagem, o que os torna uma tecnologia bastante útil (Yu, 2002). A informação sobre a variação de uma grandeza física na zona onde foi materializada uma rede de Bragg encontra-se codificada num parâmetro absoluto (comprimento de onda), o que torna a medição insensível a variações de potência óptica. As redes de Bragg transmitem todos os comprimentos de onda há excepção de um, que é reflectido, o comprimento de onde de Bragg (figura 4.19). A natureza ressonante da resposta espectral dos sensores de Bragg é especialmente atraente para aplicações de multiplexagem do comprimento de onda. Esta característica pode ser
convenientemente explorada numa única fibra óptica contendo diversos elementos sensores com ressonâncias de Bragg distintas. Deste modo, é possível associar cada sensor a uma determinada posição ao longo da fibra, constituindo o conjunto, um sensor quase distribuído de deformação ou temperatura. A auto-referenciação e a capacidade de multiplexagem têm sido apontadas como as principais vantagens associadas aos sensores de Bragg (Araújo et al, s. d.).
Figura 4.19 – Representação esquemática de uma rede de Bragg em fibra óptica (adaptado de Doyle, 2003).
As redes de Bragg são formadas por uma modulação periódica do índice de refracção no núcleo da fibra óptica. Uma variação espacial periódica na intensidade provocada
pela interferência de dois feixes coerentes ou uma máscara colocada ao longo da fibra dá lugar a uma correspondente variação periódica no índice de refracção da fibra óptica. A máxima reflectividade que ocorre no chamado comprimento de onda de Bragg (λB), é dada por:
λB = 2ηeffΛ (4.4)
onde ηeff é o índice refracção efectivo do modo de propagação na fibra e Λ o período
do FBG (Fiber Bragg Grating).
A equação (4.4) implica que o comprimento de onda reflectido (λB) é afectado por
qualquer variação das propriedades físicas ou mecânicas da região da rede. A tensão numa fibra óptica altera o índice de refracção e o período, enquanto a variação da temperatura induz igualmente uma alteração do índice de refracção e do período, devido á dilatação ou contracção térmica. Esta situação expressa-se na equação 4.5, onde o primeiro termo traduz a variação da extensão e o segundo a variação da temperatura:
ΔλB = λB (1-ρα) Δε + λB (α+ξ) ΔT (4.5)
onde ΔλB é a variação do comprimento de onda de Bragg, ρα o coeficiente fotoelástico,
α o coeficiente de expansão térmica, ξ o coeficiente termo-óptico da fibra, Δε a variação da extensão e ΔT a variação da temperatura. Este tipo de sensores é excelente para medições de variações de temperaturas.
O princípio fundamental de operação dos sensores de Bragg baseia-se então na medição dos desvios em comprimento de onda induzidos na condição de ressonância, por variações de temperatura, de deformação mecânica ou de tensão. No entanto, dada a importância prática atribuída aos sensores de temperatura e de deformação, a maioria dos sensores de Bragg têm sido centradas nessas aplicações (Araújo et al, s. d.).
Para uma variação da temperatura ΔT, a correspondente variação do comprimento de onda de Bragg é dada por:
ΔλB = λB (α+ξ) ΔT = λB α ΔT + λB ξ ΔT (4.6)
Quando uma fibra FGB é submetida a uma variação de temperatura, ela dilata ou contrai, o que modifica as características da fibra. O índice de refracção da fibra também é alterado em função da temperatura, implicando uma variação nas características do comprimento de onda. No caso da sílica, o coeficiente de expansão
térmica tem o valor de 0,55 10-6 K-1 e o coeficiente termo-óptico o valor de 8,0x10-6 K-1
pelo que, na presença de variações da temperatura, a variação do comprimento de onda ressonante é dominada pela variação do índice de refracção.
A variação da tensão mecânica advém simultaneamente da deformação física da matriz de sílica e da alteração do índice devida ao efeito fotoelástico (Barbosa et al., 2000). A variação do comprimento de onda ressonante para a aplicação de tensão mecânica longitudinal, da qual resulta uma deformação longitudinal , é então dada por:
ΔλB = λB (1-ρα) Δε = λB1 Δε - λBρα Δε (4.7)
onde pα temum valor numérico aproximado de 0,22.
Para medir a tensão com FBG, existem duas técnicas, dependendo do objectivo: 1. Incorporando toda a fibra no corpo (figura 4.20) cuja tensão se pretende medir, o
que constitui a situação ideal para medições intrínsecas em betão e em compósitos;
Figura 4.20 – Fixação directa de FGB (adaptado de Inaudi et al, 2004).
2. Fixando a fibra em dois pontos espaçados no corpo (figura 4.21) cuja tensão se pretende medir, o que se traduz numa fixação indirecta.
Os valores normais para o comprimento de onda de uma fibra de rede em sílica são aproximadamente 1550 nm, com sensibilidade a pressões e temperaturas aproximadamente de 1,2 pm/με e 10 pm/ºC respectivamente (Doyle, 2003).
O sensor FGB tem características bastantes úteis para a monitorização (Braga et al., 2002):
1 – O sensor é uma fibra óptica modificada, tendo o mesmo tamanho e resistência de uma fibra original, contrastando com outro tipo de sensores de fibra óptica que podem pesar mais e serem menos robustos;
2 – Redes multiplexadas podem ser combinadas com uma fibra óptica tirando partido das técnicas de multiplexagem, conferindo aos sistemas de sensores FBG a importante propriedade de serem capazes de realizar simultaneamente um grande número de medições com poucas fibras ópticas, o que facilita a instalação;
3 – A temperatura e tensão podem ser medidas através do mesmo sensor; no entanto, a obtenção de medições precisas de tensão quando ocorrem simultaneamente variações significativas de temperatura, requer a implementação de redes aos pares, uma sensível à temperatura e à tensão ligada à estrutura e outra próxima, mas isolada do campo de tensões (fibra correctora), respondendo apenas às variações de temperatura.
As medidas de deformações e variações de temperatura a partir das modificações induzidas no espectro óptico de reflexão de redes de Bragg, podem ser feitas de várias formas. A escolha depende fundamentalmente da aplicação a que se destina, devendo-se, em cada caso, considerar as bandas de frequência envolvidas, o número de sensores interrogados, a sua distribuição espacial, a faixa dinâmica de deformações ou temperaturas a serem medidas, as limitações de espaço, o peso do sistema de medição e o custo (Doyle, 2003).
Para utilizar uma FGB como um sensor, tem de se iluminar a fibra por uma fonte de luz com um amplo espectro. O comprimento de onda que é reflectido é medido e relacionado com o local onde interessa efectuar as medições (figura 4.19). As alterações dos comprimentos de onda podem ser medidas utilizando um filtro óptico inclinado, que pode ser outra rede de Bragg utilizada para converter directamente variações de comprimentos de onda em variações de intensidade. Se os filtros forem concebidos para terem uma relação conhecida entre a variação do comprimento de
onda e a da intensidade, então o comprimento de onda de uma rede de Bragg pode ser determinada. Esta é a forma mais simples e económica de desmodular redes de Bragg, tendo a desvantagem de descortinar apenas uma rede em cada momento (Doyle, 2003).
Outro procedimento com potencial para aplicação na leitura de sistemas que requerem a utilização de vários sensores de rede de Bragg é baseado no método de divisão de multiplexagem por comprimento de onda, permitindo medições de extensão e de temperatura em diferentes locais ao longo de uma única fibra óptica.
O princípio deste método é simples e tem a vantagem de se poderem utilizar várias redes numa única fibra óptica, desde que cada comprimento de onda de Bragg seja diferente. Isso consegue-se utilizando uma fonte emissora de luz de banda larga e um filtro ou utilizando uma sintonização entre a fonte emissora de luz e um detector fotodiodo (Doyle, 2003). Na figura 4.22 pode-se observar como funciona este último método.
O gerador sintoniza a fonte de luz, fazendo-a percorrer o espectro em toda a sua faixa para que em qualquer instante o comprimento de onda da luz transmitida na fibra seja conhecido. Quando este comprimento de onda coincide com o comprimento de onda de Bragg de uma FBG, a luz reflectida regressa para uma célula fotoeléctrica. O gerador também fornece sinal temporal para o processador, permitindo-lhe converter a intensidade versus tempo num espectro de informação. Posteriormente são identificados os picos no espectro, encontrando a sua localização, convertendo-os em extensão e temperatura (Doyle, 2003).
O método de divisão de multiplexagem por comprimento de onda caracteriza-se por (Doyle, 2003):
1 – Alta sensibilidade e exactidão, conseguindo para medições de extensão sensibilidade na ordem dos 0,8 με e exactidão 4 με;
2 – Velocidade de aquisição dos dados moderada, ocorrendo a digitalização usualmente à velocidade de 100 Hz, o que facilita o processamento dos vários sensores;
3 – Flexibilidade, atendendo que, enquanto os comprimentos de onda de Bragg forem diferentes, pode ser colocada um número razoável de sensores em qualquer parte da fibra; estes sensores podem estar separados por distâncias compreendidas entre 10 mm a 1 km, que são lidos na mesma forma;
4 – O sistema composto pelo equipamento de emissão e processamento de informação tem dimensões relativamente grandes, a componente de varrimento da luz é um pouco complexa e delicada, sendo a capacidade de processamento necessária comparável a um desktop de um PC.
Outro método para a divisão de multiplexagem é através do tempo (Doyle, 2003). A divisão de multiplexagem por tempo utiliza uma fonte de luz de banda larga e identifica as diferentes redes (sensores) pelo tempo que demoram os sinais a regressar até ao detector. A figura 4.23 exemplifica uma matriz de FGB a diferentes distâncias l da fonte e do detector. O tempo ti necessário para regresso do sinal do FGB li é dado por:
ti = 2 li c/η (4.8)
a) fonte emissora de luz; b) filtro; c) gerador; d) acoplador de rede para os canais de 1 a 4; e) chegada de FBG; f) célula fotoeléctrica; g) processador; h) variação do tempo de saída do detector, mostrando o
tempo ti convertido em comprimento de onda de Bragg λi.
Figura 4.22 - Esquematização, equipamento e operação do princípio do comprimento de onda por multiplexagem (adaptado de Doyle, 2003).
onde c corresponde á velocidade da luz no vácuo e η o índice de refracção da fibra óptica.
Tendo a posição de cada uma das redes numa matriz estabelecida, utiliza-se um sistema de filtros para determinar o comprimento de onda à medida que cada um deles chega.
O sistema de divisão de multiplexagem caracteriza-se por (Doyle, 2003):
1 – Baixo custo, atendendo a que os lasers e filtros para este sistema são de baixo custo;
2 – Todas as componentes são electrónicas, não existindo peças móveis, o que torna este sistema muito pequeno e robusto, e por isso adequado para várias aplicações em ambientes hostis;
3 – Alta taxa de amostragem, determinada apenas pela velocidade de processamento e não pela taxa de varrimento da fonte luminosa;
4 – Os sensores devem estar suficientemente afastados para os sinais regressarem em tempos diferentes.
Figura 4.23 - Sistema de divisão de multiplexagem por tempo. a) fonte de luz; b) acoplador; c) detector; d) fibra óptica; e) FBG (adaptado de Doyle, 2003).